WO2017195683A1 - 歪みセンサユニット - Google Patents

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WO2017195683A1
WO2017195683A1 PCT/JP2017/017068 JP2017017068W WO2017195683A1 WO 2017195683 A1 WO2017195683 A1 WO 2017195683A1 JP 2017017068 W JP2017017068 W JP 2017017068W WO 2017195683 A1 WO2017195683 A1 WO 2017195683A1
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WO
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strain sensor
strain
base material
sensor unit
deformation
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PCT/JP2017/017068
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English (en)
French (fr)
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保郎 奥宮
鈴木　克典
谷高　幸司
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Yamaha Corp
Original Assignee
Yamaha Corp
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G—PHYSICS
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2268—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects

Definitions

  • the present invention relates to a strain sensor unit.
  • a strain sensor unit that detects strain from a resistance change of a resistor with respect to expansion and contraction is known.
  • a metal or a semiconductor is used as such a resistor.
  • metals and semiconductors have a small amount of deformation that can be reversibly expanded and contracted. For this reason, a strain sensor unit using a metal or a semiconductor as a resistor has a limited use.
  • the strain sensor unit described in this publication has a carbon nanotube film including a plurality of carbon nanotubes oriented in a predetermined direction. Specifically, the strain sensor unit detects expansion / contraction strain of the carbon nanotube film by fixing both ends of the band-shaped carbon nanotube film to the measurement target. This strain sensor can cope with a large strain because the carbon nanotube film can expand and contract relatively large in the orientation direction of the carbon nanotube or in the direction perpendicular to the orientation direction.
  • the publication also proposes that the strain sensor unit is arranged on a glove to detect the movement of a finger of a hand.
  • the strain sensor unit using the carbon nanotube film is disposed on the cloth attached to the surface of the human body, the strain sensor unit may be displaced due to the cloth sliding on the human body surface. Depending on the region to be measured, the cloth may be easily displaced with respect to the human body, or the detection accuracy may be greatly reduced due to a slight displacement of the strain sensor unit.
  • an object of the present invention is to provide a strain sensor unit that can suppress displacement of the strain sensor.
  • a strain sensor unit which has been made to solve the above problems, includes a base material having stretchability, and one or a plurality of strip-like or thread-like shapes arranged on the base material along a stretch direction.
  • the deformation suppressing unit may include an elastic material having a bending elastic modulus larger than that of the strain sensor.
  • a pair of the deformation suppressing portions may be disposed in the vicinity of both ends in the longitudinal direction of the one or more strain sensors.
  • the deformation suppressing unit may be disposed so as to overlap the end of one or a plurality of strain sensors.
  • a plurality of the strain sensors may be arranged in parallel, and the base material may have a slit parallel to the strain sensors between the plurality of strain sensors.
  • the deformation suppressing unit may include a close-wound coil spring having a central axis in a direction intersecting the longitudinal direction of the strain sensor.
  • a pair of slip stoppers may be further provided on both sides in the longitudinal direction of the strain sensor in a plan view of the back surface of the base material.
  • the “near” of the strain sensor means a range in which the distance from the longitudinal tip of the strain sensor is 1/5 or less, preferably 1/10 or less of the average length of the strain sensor.
  • the “flexural modulus” is a value measured according to JIS-K7171 (2008).
  • the “back surface” means a surface facing the measurement object.
  • the strain sensor unit of the present invention can suppress displacement of the strain sensor.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the strain sensor unit in FIG. 3. It is a typical top view which shows the distortion sensor unit of embodiment different from FIG.1 and FIG.3 of this invention.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing a strain sensor unit according to an embodiment different from FIGS. 1, 3, and 5 of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic plan view showing a strain sensor unit of an embodiment different from FIGS. 1, 3, 5 and 6 of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic plan view showing a strain sensor unit according to an embodiment different from FIGS. 1, 3, and 5 to 7 of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic plan view showing a strain sensor unit according to an embodiment different from FIGS. 1, 3, 5 to 8 of the present invention.
  • the strain sensor unit according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 and FIG. 2 is laminated on the base material 1 having stretchability, and is arranged along the stretch direction of the base material 1. And a pair of deformation suppressing portions 3 that are disposed in the vicinity of both ends in the longitudinal direction of the strain sensor 2 so as to extend in a direction intersecting the longitudinal direction of the strain sensor 2 and suppress deformation of the base material 1.
  • the strain sensor unit can be used, for example, to detect the movement of a specific part of a human or animal body.
  • the distortion sensor unit is used for detecting movements of facial expression muscles, temporomandibular joints, and the like of a human face.
  • the base material 1 is a structural material of the strain sensor unit, is formed from a sheet-like material, and at least a portion for holding the strain sensor 2 is formed in a belt shape.
  • the base material 1 is configured to hold the strain sensor 2 and to be attached to a measurement target.
  • the base material 1 expands and contracts together with the measurement object, and transmits the expansion and contraction to the strain sensor 2 to perform the function of expanding and contracting the strain sensor 2 together with the measurement object.
  • the material for forming the base material 1 is not particularly limited as long as it has stretchability.
  • a nonwoven fabric, warp yarns aligned in one direction and warp yarns aligned in a direction crossing the one direction are regular.
  • the base material 1 may be formed in an annular shape in advance so that it can be attached to the outer periphery of the measurement target. It may be formed into an annular shape when fitted, and may have hooks or loops that are hooked to the projections to be measured at both ends of the belt-like substrate 1.
  • the base material 1 may have a structure similar to clothing such as tights, a supporter, a mask, or the like that is in close contact with the human body.
  • the lower limit of the average width of the substrate 1 is preferably 1 cm, and more preferably 1.5 cm.
  • the upper limit of the average width of the substrate 1 is preferably 10 cm, and more preferably 7 cm.
  • the lower limit of the average thickness of the substrate 1 is preferably 100 ⁇ m, more preferably 200 ⁇ m.
  • the upper limit of the average thickness of the substrate 1 is preferably 2 mm, and more preferably 1 mm.
  • the average thickness of the substrate 1 is less than the lower limit, the strength of the substrate 1 may be insufficient.
  • the average thickness of the base material 1 exceeds the upper limit, there is a possibility that the motion of the subject wearing the strain sensor unit may be hindered or uncomfortable.
  • the lower limit of the weight per unit area of the base material 1 is preferably 100 g / m 2, and more preferably 150 g / m 2.
  • the basis weight of the base material 1 is less than the lower limit, the strength of the base material 1 may be insufficient.
  • the basis weight of the base material 1 exceeds the upper limit, the rigidity of the base material 1 is increased and the detection sensitivity may be insufficient, or the movement of the subject wearing the strain sensor unit may be hindered. There is a risk of discomfort.
  • the lower limit of the 100% elongation load (the tension at which the average length is doubled) of the substrate 1 is preferably 1N, and more preferably 10N.
  • the upper limit of the 100% elongation load of the substrate 1 is preferably 10 kN, and more preferably 1 kN.
  • the strain sensor 2 is overlapped and fixed on the surface of the base material 1 (the surface opposite to the measurement target). More specifically, in the strain sensor unit, the strain sensor 2 is attached to the center of the substrate 1 in the short direction. Thus, by sticking the strain sensor 2 to the center part of the base material 1, the base material 1 around the strain sensor 2 expands and contracts evenly, and the displacement of the strain sensor 2 can be suppressed.
  • the strain sensor 2 is formed in a belt shape and configured to mainly detect expansion and contraction in the longitudinal direction. Therefore, in the strain sensor unit, the strain sensor 2 mainly detects expansion and contraction in the longitudinal direction of the substrate 1. Note that “mainly detecting expansion and contraction in the longitudinal direction” means that the contribution ratio of the expansion and contraction component in the longitudinal direction in the detection value is 90% or more, preferably 95% or more.
  • strain resistance elements whose resistance values change due to expansion and contraction can be used, and in particular, a CNT strain sensor using carbon nanotubes (hereinafter sometimes referred to as CNT) is preferably used. That is, the strain sensor unit detects the amount of expansion / contraction of the base material 1 that changes in accordance with the movement of the measurement target part by measuring the resistance value of the strain sensor 2 made of a strain resistance element by a detection circuit (not shown). .
  • CNT carbon nanotubes
  • the CNT strain sensor includes, for example, a stretchable sheet-like support film adhered to the base material 1, a CNT film laminated on the surface side of the support film, and a protective film for protecting the CNT film. It can be configured.
  • the average thickness of the support film of the CNT strain sensor can be, for example, 10 ⁇ m or more and 5 mm or less.
  • the material of the support membrane is not particularly limited as long as it has flexibility, and examples thereof include synthetic resin, rubber, and nonwoven fabric.
  • the synthetic resin examples include phenol resin (PF), epoxy resin (EP), melamine resin (MF), urea resin (urea resin, UF), unsaturated polyester (UP), alkyd resin, polyurethane (PUR), heat Curable polyimide (PI), polyethylene (PE), high density polyethylene (HDPE), medium density polyethylene (MDPE), low density polyethylene (LDPE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride, polystyrene (PS), polyvinyl acetate (PVAc), acrylonitrile butadiene styrene resin (ABS), acrylonitrile styrene resin (AS), polymethyl methacrylate (PMMA), polyamide (PA), polyacetal (POM), polycarbonate (PC), modified Po Phenylene ether (m-PPE), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET), and cyclic polyolefin (COP) and
  • Examples of the rubber include natural rubber (NR), butyl rubber (IIR), isoprene rubber (IR), ethylene / propylene rubber (EPDM), butadiene rubber (BR), urethane rubber (U), and styrene / butadiene rubber (SBR). , Silicone rubber (Q), chloroprene rubber (CR), chlorosulfonated polyethylene rubber (CSM), acrylonitrile butadiene rubber (NBR), chlorinated polyethylene (CM), acrylic rubber (ACM), epichlorohydrin rubber (CO, ECO), Fluorine rubber (FKM), polydimethylsiloxane (PDMS), and the like can be given.
  • natural rubber is preferable from the viewpoint of strength.
  • electrodes are formed on both ends of the CNT film of the CNT strain sensor, and wiring is connected to the electrodes by, for example, a conductive adhesive.
  • This CNT film is formed of a resin composition containing a large number of CNT fibers.
  • the CNT film has a plurality of CNT fiber bundles composed of a plurality of CNT fibers oriented in one direction, and a resin layer covering the peripheral surface of the plurality of CNT fiber bundles.
  • a change occurs in the contact state between the CNT fibers, and a resistance change can be obtained as a strain sensor.
  • the CNT fibers in the CNT film are oriented in the stretching direction.
  • the lower limit of the average thickness of the CNT film under no load is preferably 1 ⁇ m and more preferably 10 ⁇ m.
  • the upper limit of the average thickness of the CNT film is preferably 1 mm, and more preferably 0.5 mm.
  • the CNT film may have a single layer structure in which CNT fibers are arranged substantially in parallel in a planar shape, or may have a multilayer structure. However, in order to ensure a certain degree of conductivity, a multilayer structure is preferable.
  • the CNT fiber either single-walled single-wall nanotubes (SWNT) or multi-walled multi-wall nanotubes (MWNT) can be used, but MWNT is preferable from the viewpoint of conductivity and heat capacity, and the diameter is 1.5 nm. More preferably, the MWNT is 100 nm or less.
  • SWNT single-walled single-wall nanotubes
  • MWNT multi-walled multi-wall nanotubes
  • the resin layer of the CNT film is a layer mainly composed of resin and covering the peripheral surface of a plurality of CNT fiber bundles.
  • the main component of the resin layer include the synthetic resins and rubbers exemplified as the material for the support film. Among these, rubber is preferable. By using rubber, a sufficient protection function of the CNT fiber can be exhibited even against a large strain.
  • the resin layer of the CNT film may be formed integrally with the support film or the protective film. In other words, the support film or the protective film may be omitted by increasing the thickness of the resin layer not impregnated in the CNT fiber layer.
  • the lower limit of the average width of the strain sensor 2 formed by such a CNT strain sensor in an unloaded state is preferably 0.1 mm, and more preferably 0.5 mm.
  • the upper limit of the average width of the strain sensor 2 is preferably 10 mm, and more preferably 5 mm.
  • the average length of the strain sensor 2 in the no-load state is selected according to the measurement target part.
  • the lower limit of the average length of the strain sensor 2 under no load is preferably 3 mm, and more preferably 15 mm.
  • the upper limit of the average length of the strain sensor 2 under no load is preferably 70 mm, and more preferably 50 mm.
  • the lower limit of the 10% elongation load of the strain sensor 2 is preferably 0.01N, more preferably 0.03N, and even more preferably 0.05N.
  • the upper limit of the 10% elongation load of the strain sensor 2 is preferably 0.5N, more preferably 0.3N, and still more preferably 0.2N.
  • the 10% elongation load of the strain sensor 2 is less than the lower limit, the detection accuracy may be insufficient due to expansion and contraction due to factors other than the operation of the measurement target region.
  • the 10% elongation load of the strain sensor 2 exceeds the upper limit, the reaction force at the time of extension increases, which may give the subject a sense of discomfort and restraint.
  • the lower limit of the resistance value of each strain sensor 2 under no load is preferably 10 ⁇ , for example, and more preferably 100 ⁇ .
  • the upper limit of the resistance value of the strain sensor 2 under no load is preferably 100 k ⁇ and more preferably 10 k ⁇ .
  • the rate of change of the resistance value due to the extension of each strain sensor 2 is appropriately selected so that sufficient detection accuracy can be obtained.
  • the ratio of the resistance values is, for example, 1.5 times or more and 20 times or less.
  • the sticking of the strain sensor 2 to the base material 1 preferably does not inhibit the expansion and contraction of the base material 1 and the strain sensor 2, specifically, an adhesive having a sufficiently small elongation load is preferably used.
  • an adhesive having a small elongation load include a moisture curable polyurethane adhesive.
  • the pair of deformation suppression units 3 prevents deformation of the base material 1 at both ends in the longitudinal direction of the strain sensor 2, thereby preventing warping of the base material 1 between the pair of deformation suppression units 3 to be measured. By improving the adhesion to the sensor, the displacement of the strain sensor 2 is suppressed.
  • the deformation suppressing unit 3 in the present embodiment is disposed with a slight gap so as not to overlap the strain sensor 2. Thus, by disposing the deformation suppressing unit 3 away from the strain sensor 2, it is possible to suppress the stress applied to the strain sensor 2 when the deformation suppressing unit 3 is inclined in plan view.
  • transformation suppression part 3 selects a shape according to the unevenness
  • the structure which increased rigidity by attaching another member to the base material 1 may be sufficient, for example, the deformation
  • the deformation suppressing unit 3 includes an elastic material having a bending elastic modulus larger than that of the strain sensor 2. That is, the deformation suppressing unit 3 can be formed by attaching an elastic material having a bending elastic modulus larger than that of the strain sensor 2 to the base material 1.
  • transformation of the base material 1 accompanying the curvature of the distortion sensor 2 can be prevented more reliably because the bending elastic modulus of the deformation
  • an elastic material for forming the deformation suppressing portion 3 for example, a thread-like or plate-like member having spring properties can be used.
  • the deformation suppressing unit 3 is preferably formed in a strip shape extending in a direction intersecting the longitudinal direction of the strain sensor 2.
  • transformation suppression part 3 is formed in strip
  • the deformation suppressing unit 3 can prevent the base material 1 from expanding and contracting in the direction intersecting the longitudinal direction of the strain sensor 2.
  • the deformation suppressing unit 3 may include a closely wound coil spring having a central axis in a direction intersecting with the longitudinal direction of the strain sensor 2.
  • the close-wound coil spring is a string-wound spring formed by winding a wire without leaving a gap, and is not compressible in the length direction (center axis direction).
  • the substrate 1 does not substantially extend when the strain sensor unit is used, and can be bent to the extent that it conforms to the surface shape of the measurement target, while the substrate 1 is warped. Therefore, it is possible to prevent the base material 1 from becoming slippery with respect to the measurement target.
  • the tightly wound coil spring is preferably fixed to a sheet-like material such as a fabric or an elastomer resin sheet.
  • the closely wound coil spring may be sandwiched between a pair of fabrics or an elastomer resin sheet, and may be bonded or sewn to a single fabric or elastomer resin sheet.
  • the densely wound coil spring is fixed to the sheet-like material, it can be relatively easily fixed to the base material 1, so that the deformation suppressing portion 3 can be easily formed.
  • the lower limit of the maximum length in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the strain sensor 2 of the deformation suppressing unit 3 is preferably 5 times the average width of the strain sensor 2 and more preferably 10 times.
  • the upper limit of the maximum length in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the strain sensor 2 of the deformation suppressing unit 3 is preferably 100 times the average width of the strain sensor 2 and more preferably 50 times.
  • the lower limit of the width in the longitudinal direction of the strain sensor 2 of the deformation suppressing unit 3 is not particularly limited, and may be a width that sufficiently increases the rigidity of the deformation suppressing unit 3.
  • the upper limit of the width in the longitudinal direction of the strain sensor 2 of the deformation suppressing unit 3 is preferably 1 time the average length of the strain sensor 2 and more preferably 0.5 times. When the longitudinal width of the strain sensor 2 of the deformation suppressing unit 3 exceeds the upper limit, the width of the strain sensor unit may become unnecessarily large, which may cause the subject to feel uncomfortable or restrained.
  • the bending elastic modulus of the deformation suppressing portion 3 varies depending on the cross-sectional area and the like, but is preferably larger than the strain sensor 2 and large enough to prevent the base material 1 from warping.
  • the lower limit of the flexural modulus of the deformation suppressing unit 3 is preferably 1 kPa, and more preferably 10 kPa.
  • the upper limit of the bending elastic modulus of the deformation suppressing unit 3 is preferably 10 MPa, and more preferably 1 MPa.
  • transformation suppression part 3 exceeds the said upper limit, there exists a possibility of giving a sense of incongruity and a restraint feeling to the subject because the base material 1 does not stick to a measuring object.
  • the strain sensor unit includes a pair of deformation suppression units 3 in the vicinity of both ends of the strain sensor 2 in the longitudinal direction, so that the base material 1 on both sides of the strain sensor 2 is not easily deformed, so that the displacement of the strain sensor 2 is suppressed. As a result, the detection accuracy is relatively high.
  • the strain sensor unit according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 3 and FIG. 4 is laminated on the base material 1 having stretchability and the base material 1 and is arranged along the stretch direction of the base material 1. And a pair of deformation suppressing portions 3a that are disposed in the vicinity of both ends in the longitudinal direction of the strain sensor 2 so as to extend in a direction intersecting the longitudinal direction of the strain sensor 2 and suppress deformation of the base material 1. And a pair of slip stoppers 4 disposed on both sides in the longitudinal direction of the strain sensor 2 in a plan view of the back surface of the substrate 1.
  • the configurations of the base material 1 and the strain sensor 2 in the strain sensor unit of FIGS. 3 and 4 can be the same as the configurations of the base material 1 and the strain sensor 2 in the strain sensor unit of FIGS. For this reason, in the strain sensor unit of FIGS. 3 and 4, the same components as those of the strain sensor unit of FIGS.
  • the deformation suppression unit 3a in the strain sensor unit of FIGS. 3 and 4 is the same as the deformation suppression unit 3 in the strain sensor unit of FIGS. 1 and 2, except that the deformation suppression unit 3a is disposed so as to overlap the end of the strain sensor 2. It is the same.
  • the deformation suppressing portion 3a is arranged so as to overlap the end portion of the strain sensor 2, the distance between the pair of deformation suppressing portions 3a is relatively small. Can be more reliably suppressed.
  • the anti-slip 4 is laminated on the back surface of the base material 1, increases friction with the measurement object, and more reliably suppresses the positional displacement of the base material 1 and thus the strain sensor 2.
  • the anti-slip 4 may be disposed so as to overlap with the deformation suppressing portion 3a in a plan view, or may be disposed further outside the deformation suppressing portion 3a.
  • the material of the anti-slip 4 for example, synthetic rubber, natural rubber or the like can be used.
  • the planar shape of the anti-slip 4 is not particularly limited, and may be any shape such as a square or a circle, and may be a pattern that partially exposes or partially covers the substrate 1. Good.
  • the anti-slip 4 may be adhered to the back surface of the substrate 1 or may be formed by applying a resin composition to the back surface of the substrate 1.
  • the lower limit of the average length in the longitudinal direction of the strain sensor 2 of the anti-slip 4 is preferably 1 mm, and more preferably 3 mm.
  • the upper limit of the average length in the longitudinal direction of the strain sensor 2 of the anti-slip 4 is preferably 50 mm, and more preferably 30 mm. If the average length of the strain sensor 2 in the longitudinal direction of the anti-slip 4 is less than the lower limit, the friction cannot be increased and the effect of suppressing the displacement of the strain sensor 2 may not be promoted. On the contrary, when the average length of the strain sensor 2 of the anti-slip 4 exceeds the upper limit, the strain sensor unit may become unnecessarily large.
  • the lower limit of the average length in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the strain sensor 2 of the anti-slip 4 is preferably 3 mm, and more preferably 5 mm.
  • the upper limit of the average length in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the strain sensor 2 of the anti-slip 4 is preferably 1.2 times the length of the deformation suppressing portion 3a, and 1 time the length of the deformation suppressing portion 3a. Is more preferable.
  • the average length of the anti-slip 4 in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the strain sensor 2 is less than the lower limit, there is a possibility that the effect of suppressing the displacement of the strain sensor 2 cannot be promoted without increasing the friction.
  • the strain sensor unit may become unnecessarily large.
  • the strain sensor unit according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 5 is laminated on the base material 1b having stretchability and this base material 1b, and is arranged in parallel along the stretch direction of the base material 1b.
  • a plurality of (two) strain sensors 2 and a pair of strain sensors 2 that are arranged in the vicinity of both longitudinal ends of the plurality of strain sensors 2 so as to extend in a direction crossing the longitudinal direction of the strain sensors 2 and suppress deformation of the substrate 1.
  • the deformation suppression unit 3 is provided.
  • the configurations of the strain sensor 2 and the deformation suppression unit 3 in the strain sensor unit of FIG. 5 can be the same as the configurations of the strain sensor 2 and the deformation suppression unit 3 in the strain sensor unit of FIGS. For this reason, in the strain sensor unit of FIG. 5, the same components as those of the strain sensor unit of FIGS.
  • the base material 1 b has slits 5 parallel to these strain sensors 2 between the plurality of strain sensors 2.
  • the slit 5 divides the base material 1b between the plurality of strain sensors 2 so that the plurality of strain sensors 2 can expand and contract independently of each other. That is, the strain sensor unit has a relatively high detection accuracy because the displacement of one strain sensor 2 hardly affects the displacement of another strain sensor 2.
  • the lower limit of the length of the slit 5 is preferably 1/2 of the length of the center line in the width direction of the strain sensor 2 and more preferably 2/3.
  • the upper limit of the length of the slit 5 is preferably 1.2 times the length of the center line in the width direction of the strain sensor 2, and more preferably 1 time. If the length of the slit 5 is less than the lower limit, the mutual interference between the strain sensors 2 may not be sufficiently reduced. Conversely, if the length of the slit 5 exceeds the upper limit, the strain sensor unit may become unnecessarily large, and the effect of suppressing the displacement of the strain sensor 2 by the deformation suppressing unit 3 may be reduced.
  • a pair of deformation suppressing portions 3 c may be inclined with respect to a direction perpendicular to the longitudinal direction of the strain sensor 2.
  • the deformation suppressing portions 3 d may be arranged so as to be inclined at different inclination angles with respect to the longitudinal direction of the strain sensor 2.
  • the deformation suppressing unit 3e may be bent or curved.
  • the planar shape of the deformation suppressing unit 3 f may be long in the length direction of the strain sensor 2. That is, the deformation suppressing unit in the strain sensor unit only needs to have a length in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the strain sensor in plan view larger than the width of the strain sensor.
  • the deformation suppressing unit only needs to be able to partially suppress the deformation of the base material, and may be formed of a material having a lower bending elastic modulus than the strain sensor.
  • the strain sensor unit may include a deformation suppressing unit only in the vicinity of one end of the strain sensor.
  • the strain sensor unit may include three or more strain sensors arranged in parallel. Moreover, even if the strain sensor unit has a plurality of strain sensors arranged in parallel, slits may not be formed in the base material.
  • the strain sensor may be thread-like.
  • the strain sensor may be sewn into the base material.
  • the base material does not have to be in a band shape, and may have any shape that adheres closely to a human body according to, for example, a mask or a shirt.
  • the strain sensor may be disposed at a position shifted from the center in the short direction of the substrate.
  • the deformation suppression unit may be stacked on the back side of the base material.
  • the deformation suppression unit may also serve as a slip stopper.
  • a plurality of strain sensors and a pair of deformation suppressing portions may be disposed on both sides in the longitudinal direction of each strain sensor on one base material.
  • a plurality of strain sensors and deformation suppression units having different shapes may be arranged in different directions.
  • the strain sensor unit according to the present invention can be used particularly preferably for detecting the movement of a human body, but may be used for detecting the movement of an animal, a machine or the like other than the human body.

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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

本発明は、歪みセンサの位置ずれを抑制できる歪みセンサユニットを提供することを課題とする。本発明に係る歪みセンサユニットは、伸縮性を有する基材と、前記基材に伸縮方向に沿って配設される帯状又は糸状の１又は複数の歪みセンサと、前記１又は複数の歪みセンサの長手方向端部近傍に歪みセンサの長手方向に交差する方向に延びるよう配設され、前記基材の変形を抑制する変形抑制部とを備える。

Description

歪みセンサユニット
　本発明は、歪みセンサユニットに関する。
　伸縮に対する抵抗体の抵抗変化から歪みを検出する歪みセンサユニットが知られている。また、このような抵抗体としては、一般的には金属や半導体が用いられている。しかしながら、金属や半導体は可逆的に伸縮可能な変形量が小さい。そのため、抵抗体として金属や半導体を用いた歪みセンサユニットは用途等に制限がある。
　そこで、前記抵抗体として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いた歪みセンサユニットが提案されている（特開２０１１－４７７０２号公報参照）。この公報に記載の歪みセンサユニットは、所定方向に配向させた複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ膜を有する。具体的には、前記歪みセンサユニットは、帯状のカーボンナノチューブ膜の両端部を測定対象に固定することで、カーボンナノチューブ膜の伸縮歪みを検出する。この歪みセンサは、カーボンナノチューブ膜がカーボンナノチューブの配向方向又は配向方向と垂直方向へ比較的大きく伸縮できるため、大きな歪みにも対応できる。
　前記公報には、前記歪みセンサユニットを手袋に配設して手の指の動きを検出することも提案している。このように、カーボンナノチューブ膜を用いる歪みセンサユニットを人体の表面に装着される布帛に配設する場合、布帛が人体表面上で滑ることによって、歪みセンサユニットが位置ずれするおそれがある。測定対象部位によっては、布帛が人体に対して位置ずれしやすい場合や、歪みセンサユニットのわずかな位置ずれによって検出精度が大きく低下する場合がある。
特開２０１１－４７７０２号公報
　前記不都合に鑑みて、本発明は、歪みセンサの位置ずれを抑制できる歪みセンサユニットを提供することを課題とする。
　前記課題を解決するためになされた本発明の一態様に係る歪みセンサユニットは、伸縮性を有する基材と、前記基材に伸縮方向に沿って配設される帯状又は糸状の１又は複数の歪みセンサと、前記１又は複数の歪みセンサの長手方向端部近傍に歪みセンサの長手方向に交差する方向に延びるよう配設され、前記基材の変形を抑制する変形抑制部とを備える。
　前記変形抑制部が前記歪みセンサよりも曲げ弾性率が大きい弾性材を有してもよい。
　一対の前記変形抑制部が前記１又は複数の歪みセンサの長手方向両端近傍にそれぞれ配設されてもよい。
　前記変形抑制部が１又は複数の歪みセンサの端部に重畳するよう配設されてもよい。
　複数の前記歪みセンサが平行に配設され、前記基材が前記複数の歪みセンサの間に歪みセンサと平行なスリットを有してもよい。
　前記変形抑制部が歪みセンサの長手方向に交差する方向の中心軸を有する密巻きコイルバネを含んでもよい。
　前記基材の裏面の平面視で歪みセンサの長手方向両側に配設される１対の滑り止めをさらに備えてもよい。
　なお、歪みセンサの「近傍」とは、歪みセンサの長手方向先端からの距離が歪みセンサの平均長さの１／５以下、好ましくは１／１０以下である範囲を意味する。また、「曲げ弾性率」とは、ＪＩＳ－Ｋ７１７１（２００８）に準拠して測定される値である。また、「裏面」とは、測定対象に対向する面を意味する。
　本発明の歪みセンサユニットは、歪みセンサの位置ずれを抑制することができる。
本発明の一実施形態の歪みセンサユニットを示す模式的平面図である。 図１の歪みセンサユニットの模式的断面図である。 本発明の図１とは異なる実施形態の歪みセンサユニットを示す模式的平面図である。 図３の歪みセンサユニットの模式的断面図である。 本発明の図１及び図３とは異なる実施形態の歪みセンサユニットを示す模式的平面図である。 本発明の図１、図３及び図５とは異なる実施形態の歪みセンサユニットを示す模式的平面図である。 本発明の図１、図３、図５及び図６とは異なる実施形態の歪みセンサユニットを示す模式的平面図である。 本発明の図１、図３、図５乃至図７とは異なる実施形態の歪みセンサユニットを示す模式的平面図である。 本発明の図１、図３、図５乃至図８とは異なる実施形態の歪みセンサユニットを示す模式的平面図である。
　以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。
［第一実施形態］
　図１及び図２に示す本発明の第一実施形態に係る歪みセンサユニットは、伸縮性を有する基材１と、この基材１に積層され、基材１の伸縮方向に沿って配設される帯状の歪みセンサ２と、この歪みセンサ２の長手方向両端近傍に歪みセンサ２の長手方向に交差する方向に延びるよう配設され、基材１の変形を抑制する１対の変形抑制部３とを備える。
　当該歪みセンサユニットは、例えば人や動物の体の特定の部位の動きを検出するために用いることができる。具体例としては、当該歪みセンサユニットは、人の顔の表情筋や顎関節等の動きを検出するために用いられる。
＜基材＞
　基材１は、当該歪みセンサユニットの構造材であり、シート状の材料から形成され、少なくとも歪みセンサ２を保持する部分が帯状に形成される。この基材１は、歪みセンサ２を保持すると共に、測定対象に取り付け可能に構成される。この基材１は、測定対象と共に伸縮し、この伸縮を歪みセンサ２に伝達することによって歪みセンサ２を測定対象と共に伸縮させる機能を果たす。
　基材１を形成する材料としては、伸縮性を有するものであれば特に限定されないが、例えば不織布、一方向に引き揃えられた縦糸とこの一方向に交差する方向に引き揃えられ縦糸と規則的に組み合わされた横糸とからなる織物、一本又は数本の糸によって多数のループを形成し多数のループが絡み合うように編まれた編物等、これらのいずれかにエラストマーを含浸したシート、繊維を含まないエラストマー製シートなどが挙げられる。これらの中でも、伸縮性の観点から編物によって基材１を形成することが好ましい。
　また、基材１の測定対象への取り付け構造としては、測定対象の外周に装着できるよう基材１が予め環状に形成されてもよく、帯状の基材１の両端を例えば面ファスナー等で貼り合わせることによって装着時に環状にできものであってもよく、帯状の基材１の両端に測定対象の突起部等に引っかけられるフック又はループを有してもよい。具体例として、基材１は、人体に密着するタイツ等の着衣、サポーター、マスク等に類する構造を有するとよい。
　基材１の平均幅の下限としては、１ｃｍが好ましく、１．５ｃｍがより好ましい。一方、基材１の平均幅の上限としては、１０ｃｍが好ましく、７ｃｍがより好ましい。基材１の平均幅が前記下限に満たない場合、基材１が面方向に変形して装着位置がずれやすくなるおそれがある。逆に、基材１の平均幅が前記上限を超える場合、当該歪みセンサユニットを装着した被検者（体の動きを測定される者）の運動を阻害したり違和感を与えるおそれがある。
　基材１の平均厚さの下限としては、１００μｍが好ましく、２００μｍがより好ましい。一方、基材１の平均厚さの上限としては、２ｍｍが好ましく、１ｍｍがより好ましい。基材１の平均厚さが前記下限に満たない場合、基材１の強度が不十分となるおそれがある。逆に、基材１の平均厚さが前記上限を超える場合、当該歪みセンサユニットを装着した被検者の運動を阻害したり違和感を与えるおそれがある。
　基材１の目付の下限としては、１００ｇ／ｍ２が好ましく、１５０ｇ／ｍ２がより好ましい。一方、基材１の目付の上限としては、３００ｇ／ｍ２が好ましく、２５０ｇ／ｍ２がより好ましい。基材１の目付が前記下限に満たない場合、基材１の強度が不十分となるおそれがある。逆に、基材１の目付が前記上限を超える場合、基材１の剛性が高くなり、検出感度が不十分となるおそれや、当該歪みセンサユニットを装着した被検者の運動を阻害したり違和感を与えるおそれがある。
　基材１の１００％伸び荷重（平均長さが２倍になる張力）の下限としては、１Ｎが好ましく、１０Ｎがより好ましい。一方、基材１の１００％伸び荷重の上限としては、１０ｋＮが好ましく、１ｋＮがより好ましい。基材１の１００％伸び荷重が前記下限に満たない場合、基材１の収縮力が不足し、収縮時の検出に遅れが生じるおそれや、位置ずれにより検出精度が低下するおそれがある。逆に、基材１の１００％伸び荷重が前記上限を超える場合、測定する部位の動きを阻害したり、被検者に違和感を与えたりするおそれがある。
＜歪みセンサ＞
　前記歪みセンサ２は、基材１の表面（測定対象と反対側の面）に重ねられて固定されている。より詳しくは、当該歪みセンサユニットにおいて、歪みセンサ２は、基材１の短手方向中央に貼設されている。このように、歪みセンサ２を基材１の中央部に貼設することによって、歪みセンサ２の周囲の基材１が均等に伸縮し、歪みセンサ２の位置ずれを抑制できる。
　また、歪みセンサ２は、帯状に形成され、長手方向の伸縮を主に検出するよう構成される。従って当該歪みセンサユニットにおいて、歪みセンサ２は、基材１の長手方向の伸縮を主に検出する。なお、「長手方向の伸縮を主に検出する」とは、検出値における長手方向の伸縮成分の寄与率が９０％以上、好ましくは９５％以上であることを意味する。
　これら歪みセンサ２としては、伸縮により抵抗値が変化する歪み抵抗素子を用いることができ、特に、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴということがある）を用いたＣＮＴ歪みセンサが好適に用いられる。つまり、当該歪みセンサユニットは、歪み抵抗素子からなる歪みセンサ２の抵抗値を不図示の検出回路によって測定することにより、測定対象部位の動きに応じて変化する基材１の伸縮量を検出する。
　前記ＣＮＴ歪みセンサは、例えば基材１に貼着される伸縮可能なシート状の支持膜と、この支持膜の表面側に積層されるＣＮＴ膜と、前記ＣＮＴ膜を保護する保護膜とを備える構成とすることができる。
　前記ＣＮＴ歪みセンサの支持膜の平均厚さとしては、例えば１０μｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。
　この支持膜の材質としては、柔軟性を有する限り特に限定されず、例えば合成樹脂、ゴム、不織布等を挙げることができる。
　前記合成樹脂としては、例えばフェノール樹脂（ＰＦ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、メラミン樹脂（ＭＦ）、尿素樹脂（ユリア樹脂、ＵＦ）、不飽和ポリエステル（ＵＰ）、アルキド樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、熱硬化性ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、中密度ポリエチレン（ＭＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡｃ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂（ＡＢＳ）、アクリロニトリルスチレン樹脂（ＡＳ）、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍ－ＰＰＥ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状ポリオレフィン（ＣＯＰ）等を挙げることができる。
　前記ゴムとしては、例えば天然ゴム（ＮＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、ウレタンゴム（Ｕ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、シリコーンゴム（Ｑ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム（ＣＳＭ）、アクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、塩素化ポリエチレン（ＣＭ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、エピクロルヒドリンゴム（ＣＯ，ＥＣＯ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等を挙げることができる。これらのゴムの中でも強度等の点から天然ゴムが好ましい。
　また、前記ＣＮＴ歪みセンサのＣＮＴ膜の両端部分には電極が形成され、この電極に配線が例えば導電性接着剤等によって接続される。
　このＣＮＴ膜は、多数のＣＮＴ繊維を含有する樹脂組成物で形成される。具体的には、ＣＮＴ膜は、一方向に配向する複数のＣＮＴ繊維からなる複数のＣＮＴ繊維束と、この複数のＣＮＴ繊維束の周面を被覆する樹脂層とを有する。このようなＣＮＴ膜を延伸する歪みが加わった場合に、ＣＮＴ繊維同士の接触具合に変化が起こり、歪みセンサとして抵抗変化を得ることができる。なお、より効率よく歪みを検出するには、ＣＮＴ膜中のＣＮＴ繊維が伸縮方向に配向されていることが好ましい。
　ＣＮＴ膜の無荷重状態での平均厚さの下限としては、１μｍが好ましく、１０μｍがより好ましい。一方、ＣＮＴ膜の平均厚さの上限としては、１ｍｍが好ましく、０．５ｍｍがさらに好ましい。ＣＮＴ膜の平均厚さが前記下限に満たない場合、このような薄膜の形成が困難になるおそれや、伸長時に抵抗が上昇し過ぎるおそれがある。逆に、ＣＮＴ膜の平均厚さが前記上限を超える場合、伸縮性が不十分となるおそれや、伸縮に対する抵抗変化、つまり検出感度が不十分となるおそれや、被検者に違和感を与えるおそれがある。
　なお、ＣＮＴ膜は、ＣＮＴ繊維を平面状に略平行に配置した単層構造からなってもよいし、多層構造からなってもよい。但し、ある程度の導電性を確保するためには、多層構造とすることが好ましい。
　ＣＮＴ繊維としては、単層のシングルウォールナノチューブ（ＳＷＮＴ）や、多層のマルチウォールナノチューブ（ＭＷＮＴ）のいずれも用いることができるが、導電性及び熱容量等の点から、ＭＷＮＴが好ましく、直径１．５ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＭＷＮＴがさらに好ましい。
　また、前記ＣＮＴ膜の樹脂層は、樹脂を主成分とし、複数のＣＮＴ繊維束の周面を被覆する層である。樹脂層の主成分としては、前記支持膜の材料として例示した合成樹脂やゴム等を挙げることができ、これらの中でもゴムが好ましい。ゴムを用いることで、大きな歪みに対してもＣＮＴ繊維の十分な保護機能を発揮することができる。また、ＣＮＴ膜の樹脂層は前記支持膜又は保護膜と一体に形成されてもよい。換言すると、ＣＮＴ繊維の層に含浸しない樹脂層の厚さを大きくすることによって、支持膜又は保護膜を省略してもよい。
　このようなＣＮＴ歪みセンサによって形成される歪みセンサ２の無荷重状態での平均幅の下限としては、０．１ｍｍが好ましく、０．５ｍｍがより好ましい。一方、歪みセンサ２の平均幅の上限としては、１０ｍｍが好ましく、５ｍｍがより好ましい。歪みセンサ２の平均幅が前記下限に満たない場合、検出感度が不十分となるおそれや、測定対象部位の動きにより歪みセンサ２が断裂するおそれがある。逆に、歪みセンサ２の平均幅が前記上限を超える場合、被検者に違和感を与えるおそれがある。
　また、歪みセンサ２の無荷重状態での平均長さは測定対象部位に応じて選択される。一般論として、歪みセンサ２の無荷重状態での平均長さの下限としては、３ｍｍが好ましく、１５ｍｍがより好ましい。一方、歪みセンサ２の無荷重状態での平均長さの上限としては、７０ｍｍが好ましく、５０ｍｍがより好ましい。歪みセンサ２の平均長さが前記下限に満たない場合、基材１のわずかなずれによって検出値が大きく変化し、検出誤差が大きくなるおそれがある。逆に、歪みセンサ２の平均長さが前記上限を超える場合、検出する動きによって長さが変化しない領域を含むことになり、動きに対する歪みセンサ２の長さの変化率が小さくなることで検出感度が不十分となるおそれがある。
　また、歪みセンサ２の１０％伸び荷重の下限としては、０．０１Ｎが好ましく、０．０３Ｎがより好ましく、０．０５Ｎがさらに好ましい。一方、歪みセンサ２の１０％伸び荷重の上限としては、０．５Ｎが好ましく、０．３Ｎがより好ましく、０．２Ｎがさらに好ましい。歪みセンサ２の１０％伸び荷重が前記下限に満たない場合、測定対象部位の動作以外の要因で伸縮することにより検出精度が不十分となるおそれがある。逆に、歪みセンサ２の１０％伸び荷重が前記上限を超える場合、伸長時の反力が大きくなり、被検者に違和感や拘束感を与えるおそれがある。
　それぞれの歪みセンサ２の無荷重状態での抵抗値の下限としては、例えば１０Ωが好ましく、１００Ωがより好ましい。一方、歪みセンサ２の無荷重状態での抵抗値の上限としては、１００ｋΩが好ましく、１０ｋΩがより好ましい。歪みセンサ２の無荷重状態での抵抗値が前記下限に満たない場合、伸びを検出するための電流が大きくなり消費電力が大きくなるおそれがある。逆に、歪みセンサ２の無荷重状態での抵抗値が前記上限を超える場合、検出回路の電圧が高くなり、小型化及び省電力化が困難となるおそれがある。
　それぞれの歪みセンサ２の伸長による抵抗値の変化率は、十分な検出精度が得られるよう適宜選択されるものであるが、歪みセンサ２の無荷重状態での抵抗値に対する１０％延伸した状態での抵抗値の比としては、例えば１．５倍以上２０倍以下とされる。
　基材１への歪みセンサ２の貼着は、基材１及び歪みセンサ２の伸縮を阻害しないこと、具体的には伸び荷重が十分に小さい接着剤を用いることが好ましい。このような伸び荷重が小さい接着剤としては、例えば湿気硬化型ポリウレタン接着剤等が挙げられる。
＜変形抑制部＞
　１対の変形抑制部３は、歪みセンサ２の長手方向両端部の基材１の変形を抑制することにより、１対の変形抑制部３の間の基材１の反り返りを防止して測定対象への密着性を向上することで、歪みセンサ２の位置ずれを抑制する。
　本実施形態における変形抑制部３は、歪みセンサ２と重ならないようわずかに隙間を空けて配設されている。このように、変形抑制部３を歪みセンサ２から離間して配設することにより、平面視で変形抑制部３が傾斜した場合に歪みセンサ２に加わる応力を抑制することができる。
　また、変形抑制部３は、例えば人体表面の凹部に基材１の変形抑制部３配設部分が嵌まり込むような形状となるよう、測定対象の凹凸に合わせて形状を選択することにより、変形抑制部３の測定対象に対する位置ずれを効果的に抑制できる。このため、変形抑制部３は、無負荷状態で基材１を歪みセンサ２の長手方向と垂直な方向の断面視で湾曲させるように屈曲していてもよい。
　変形抑制部３の構成としては、基材１に他の部材を取り付けることで剛性を大きくした構成であってもよく、例えば糸の縫い付け、樹脂組成物の塗布等によって基材１の変形を抑制するものであってもよい。
　好ましくは、変形抑制部３は、歪みセンサ２よりも曲げ弾性率が大きい弾性材を有する。つまり、変形抑制部３は、基材１に歪みセンサ２よりも曲げ弾性率が大きい弾性材を取り付けることによって形成することができる。このように変形抑制部３の曲げ弾性率が歪みセンサ２よりも大きいことで、歪みセンサ２の反りを伴う基材１の変形をより確実に防止することができる。変形抑制部３を形成する弾性材としては、例えばバネ性を有する糸状又は板状の部材等を用いることができる。
　変形抑制部３は、歪みセンサ２の長手方向に交差する方向に延びる帯状に形成されることが好ましい。このように、変形抑制部３が帯状に形成されることにより、変形抑制部３の占有面積を小さくしつつ効果的に基材１の変形を抑制できるので、当該歪みセンサユニットの装着性を損なうことなく、歪みセンサ２の位置ずれを防止することができる。
　変形抑制部３は、歪みセンサ２の長手方向に交差する方向の基材１の伸縮を防止できるものであることが好ましい。具体的には、変形抑制部３は、歪みセンサ２の長手方向に交差する方向の中心軸を有する密巻きコイルバネを含むとよい。密巻きコイルバネは、隙間を空けずにワイヤを巻回して形成される弦巻きバネであって、長さ方向（中心軸方向）に圧縮不能である。また、ワイヤの曲げ弾性率を選択することで、当該歪みセンサユニットの使用に際して実質的に伸長せず、測定対象の表面形状に合わせる程度に屈曲することは可能としつつ、基材１が反り返るような大きな変形を防止して基材１が測定対象に対して滑りやすくなることを防止することができる。
　密巻きコイルバネは、例えば布帛、エラストマー樹脂シート等のシート状の材料に固定されていることが好ましい。具体的には、密巻きコイルバネが１対の布帛又はエラストマー樹脂シートによって挟み込まれていてもよく、１枚の布帛又はエラストマー樹脂シートに接着又は縫い付けされていてもよい。このように、密巻きコイルバネがシート状の材料に固定されていることによって、基材１に対して比較的容易に固定することができるので、変形抑制部３を形成しやすくなる。
　変形抑制部３の歪みセンサ２の長手方向に直交する方向の最大長さの下限としては、歪みセンサ２の平均幅の５倍が好ましく、１０倍がより好ましい。一方、変形抑制部３の歪みセンサ２の長手方向に直交する方向の最大長さの上限としては、歪みセンサ２の平均幅の１００倍が好ましく、５０倍がより好ましい。変形抑制部３の歪みセンサ２の長手方向に直交する方向の最大長さが前記下限に満たない場合、歪みセンサ２の位置ずれを十分に抑制できないおそれがある。逆に、変形抑制部３の歪みセンサ２の長手方向に直交する方向の最大長さが前記上限を超える場合、当該歪みセンサユニットの幅が不必要に大きくなることで被検者に違和感や拘束感を与えるおそれがある。
　変形抑制部３の歪みセンサ２の長手方向の幅の下限としては、特に限定されず、変形抑制部３の剛性が十分大きくなる幅とすればよい。一方、変形抑制部３の歪みセンサ２の長手方向の幅の上限としては、歪みセンサ２の平均長さの１倍が好ましく、０．５倍がより好ましい。変形抑制部３の歪みセンサ２の長手方向の幅が前記上限を超える場合、当該歪みセンサユニットの幅が不必要に大きくなることで被検者に違和感や拘束感を与えるおそれがある。
　変形抑制部３の曲げ弾性率は、その断面積等によっても異なるが、歪みセンサ２よりも大きく、かつ基材１の反り返りを防止できる大きさとされることが好ましい。具体的には、変形抑制部３の曲げ弾性率の下限としては、１ｋＰａが好ましく、１０ｋＰａがより好ましい。一方、変形抑制部３の曲げ弾性率の上限としては、１０ＭＰａが好ましく、１ＭＰａがより好ましい。変形抑制部３の曲げ弾性率が前記下限に満たない場合、基材１の反り返りを防止できないことで歪みセンサ２の位置ずれを抑制できないおそれがある。逆に、変形抑制部３の曲げ弾性率が前記上限を超える場合、基材１が測定対象に密着しないことで被検者に違和感や拘束感を与えるおそれがある。
＜利点＞
　当該歪みセンサユニットは、歪みセンサ２の長手方向両端近傍に１対の変形抑制部３を備えることによって、歪みセンサ２の両側の基材１が変形しにくいので、歪みセンサ２の位置ずれが抑制されることで比較的検出精度が高い。
［第二実施形態］
　図３及び図４に示す本発明の第二実施形態に係る歪みセンサユニットは、伸縮性を有する基材１と、この基材１に積層され、基材１の伸縮方向に沿って配設される帯状の歪みセンサ２と、この歪みセンサ２の長手方向両端近傍に歪みセンサ２の長手方向に交差する方向に延びるよう配設され、基材１の変形を抑制する１対の変形抑制部３ａと、基材１の裏面の平面視で歪みセンサ２の長手方向両側に配設される１対の滑り止め４を備える。
　図３及び図４の歪みセンサユニットにおける基材１及び歪みセンサ２の構成は、図１及び図２の歪みセンサユニットにおける基材１及び歪みセンサ２の構成と同様とすることができる。このため、図３及び図４の歪みセンサユニットについて、図１及び図２の歪みセンサユニットと同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。
＜変形抑制部＞
　図３及び図４の歪みセンサユニットにおける変形抑制部３ａは、歪みセンサ２の端部に重畳するよう配設される点を除いて、図１及び図２の歪みセンサユニットにおける変形抑制部３と同様である。
　当該歪みセンサユニットでは、変形抑制部３ａが歪みセンサ２の端部に重畳するよう配設されるので、１対の変形抑制部３ａ間の距離が比較的小さくなることから歪みセンサ２の位置ずれをより確実に抑制することができる。
＜滑り止め＞
　滑り止め４は、基材１の裏面に積層され、測定対象との摩擦を増大して、基材１ひいては歪みセンサ２が位置ずれすることをより確実に抑制する。
　滑り止め４は、平面視で変形抑制部３ａと重複するよう配設されてもよく、変形抑制部３ａのさらに外側に配設されてもよい。
　滑り止め４の材質としては、例えば合成ゴム、天然ゴム等を用いることができる。また、滑り止め４の平面形状としては、特に限定されず、例えば方形、円形等任意の形状とすることができ、基材１を部分的に露出又は部分的に被覆するパターン状であってもよい。
　滑り止め４は、基材１の裏面に接着されてもよく、基材１の裏面に樹脂組成物を塗工することにより形成されてもよい。
　滑り止め４の歪みセンサ２の長手方向の平均長さの下限としては、１ｍｍが好ましく、３ｍｍがより好ましい。一方、滑り止め４の歪みセンサ２の長手方向の平均長さの上限としては、５０ｍｍが好ましく、３０ｍｍがより好ましい。滑り止め４の歪みセンサ２の長手方向の平均長さが前記下限に満たない場合、摩擦を増大できずに歪みセンサ２の位置ずれ抑制効果を促進できないおそれがある。逆に、滑り止め４の歪みセンサ２の長手方向の平均長さが前記上限を超える場合、当該歪みセンサユニットが不必要に大きくなるおそれがある。
　滑り止め４の歪みセンサ２の長手方向に垂直な方向の平均長さの下限としては、３ｍｍが好ましく、５ｍｍがより好ましい。一方、滑り止め４の歪みセンサ２の長手方向に垂直な方向の平均長さの上限としては、変形抑制部３ａの長さの１．２倍が好ましく、変形抑制部３ａの長さの１倍がより好ましい。滑り止め４の歪みセンサ２の長手方向に垂直な方向の平均長さが前記下限に満たない場合、摩擦を増大できずに歪みセンサ２の位置ずれ抑制効果を促進できないおそれがある。逆に、滑り止め４の歪みセンサ２の長手方向に垂直な方向の平均長さが前記上限を超える場合、当該歪みセンサユニットが不必要に大きくなるおそれがある。
［第三実施形態］
　図５に示す本発明の第三実施形態に係る歪みセンサユニットは、伸縮性を有する基材１ｂと、この基材１ｂに積層され、基材１ｂの伸縮方向に沿って平行に配設される複数（２つ）の歪みセンサ２と、この複数の歪みセンサ２の長手方向両端近傍に歪みセンサ２の長手方向に交差する方向に延びるよう配設され、基材１の変形を抑制する１対の変形抑制部３とを備える。
　図５の歪みセンサユニットにおける歪みセンサ２及び変形抑制部３の構成は、図１及び図２の歪みセンサユニットにおける歪みセンサ２及び変形抑制部３の構成と同様とすることができる。このため、図５の歪みセンサユニットについて、図１及び図２の歪みセンサユニットと同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。
＜基材＞
　基材１ｂは、複数の歪みセンサ２の間に、これらの歪みセンサ２と平行なスリット５を有する。
（スリット）
　スリット５は、複数の歪みセンサ２間で基材１ｂを分断することにより、複数の歪みセンサ２が互いに独立して伸縮できるようにする。つまり、当該歪みセンサユニットは、１つの歪みセンサ２の変位が他の歪みセンサ２の変位に影響を及ぼしにくいので、比較的検出精度が高い。
　スリット５の長さの下限としては、歪みセンサ２の幅方向中心線の長さの１／２が好ましく、２／３がより好ましい。一方、スリット５の長さの上限としては、歪みセンサ２の幅方向中心線の長さの１．２倍が好ましく、１倍がより好ましい。スリット５の長さが前記下限に満たない場合、歪みセンサ２間の相互干渉を十分に低減できないおそれがある。逆に、スリット５の長さが前記上限を超える場合、当該歪みセンサユニットが不必要に大きくなるおそれや、変形抑制部３により歪みセンサ２の位置ずれを抑制する効果が小さくなるおそれがある。
［その他の実施形態］
　前記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、前記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて前記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
　当該歪みセンサユニットは、図６に示すように、１対の変形抑制部３ｃが歪みセンサ２の長手方向に垂直な方向に対して傾斜していてもよく、図７に示すように、１対の変形抑制部３ｄが互いに歪みセンサ２の長手方向に対して異なる傾斜角度で傾斜して配置されてもよい。
　また、当該歪みセンサユニットは、図８に示すように、変形抑制部３ｅが屈曲又は湾曲していてもよい。
　当該歪みセンサユニットにおいて、例えば図９に示すように、変形抑制部３ｆの平面形状が、歪みセンサ２の長さ方向に長いものであってもよい。つまり、当該歪みセンサユニットにおける変形抑制部は、平面視で歪みセンサの長手方向に垂直な方向の長さが歪みセンサの幅よりも大きければよい。
　当該歪みセンサユニットにおいて、変形抑制部は、基材の変形を部分的に抑制できればよく、歪みセンサよりも曲げ弾性率が小さい材料から形成されてもよい。
　当該歪みセンサユニットは、歪みセンサの一方の端部近傍のみに変形抑制部を備えていてもよい。
　当該歪みセンサユニットは、平行に配設される３つ以上の歪みセンサを備えてもよい。また、当該歪みセンサユニットは、平行に配設される複数の歪みセンサを有する場合であっても、基材にスリットが形成されていなくてもよい。
　当該歪みセンサユニットにおいて、歪みセンサは糸状であってもよい。また、歪みセンサは、基材に縫い込まれていてもよい。
　当該歪みセンサユニットにおいて、基材は帯状でなくてもよく、例えばマスク、シャツ等に準じた人体に密着する任意の形状を有してもよい。
　当該歪みセンサユニットにおいて、歪みセンサは、基材の短手方向中央からずれた位置に配設されてもよい。
　当該歪みセンサユニットにおいて、変形抑制部は、基材の裏面側に積層されてもよく、この場合、変形抑制部が滑り止めを兼ねてもよい。
　１つの基材上に複数の歪みセンサと各歪みセンサの長手方向両側にそれぞれ１対の変形抑制部が配設されてもよい。例えばマスク状の基材に複数の表情筋等の動きを検出するために異なる形状の複数の歪みセンサ及び変形抑制部の組を異なる向きに配置してもよい。
　本発明に係る歪みセンサユニットは、特に人体の動きを検出するために特に好適に利用することができるが、人体以外に、例えば動物、機械等の動きを検出するために用いてもよい。
１，１ｂ　基材
２　歪みセンサ
３，３ａ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ　変形抑制部
４　滑り止め
５　スリット

Claims (7)

  1. 　伸縮性を有する基材と、
    　前記基材に伸縮方向に沿って配設される帯状又は糸状の１又は複数の歪みセンサと、
    　前記１又は複数の歪みセンサの長手方向端部近傍に歪みセンサの長手方向に交差する方向に延びるよう配設され、前記基材の変形を抑制する変形抑制部と
    　を備える歪みセンサユニット。
  2. 　前記変形抑制部が前記歪みセンサよりも曲げ弾性率が大きい弾性材を有する請求項１に記載の歪みセンサユニット。
  3. 　一対の前記変形抑制部が前記１又は複数の歪みセンサの長手方向両端近傍にそれぞれ配設される請求項１又は請求項２に記載の歪みセンサユニット。
  4. 　前記変形抑制部が１又は複数の歪みセンサの端部に重畳するよう配設される請求項１、請求項２又は請求項３に記載の歪みセンサユニット。
  5. 　複数の前記歪みセンサが平行に配設され、
    　前記基材が前記複数の歪みセンサの間に歪みセンサと平行なスリットを有する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の歪みセンサユニット。
  6. 　前記変形抑制部が、歪みセンサの長手方向に交差する方向の中心軸を有する密巻きコイルバネを含む請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の歪みセンサユニット。
  7. 　前記基材の裏面の平面視で歪みセンサの長手方向両側に配設される１対の滑り止めをさらに備える請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の歪みセンサユニット。
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